我國巖溶區建筑震害分析與抗震研究進展*

楊仕升，何 聲，謝開仲，蒙 雷

0 引言

我國位于世界兩大地震帶—環太平地震帶和亞歐地震帶之間，受太平洋板塊、亞歐大陸板塊和印度洋板塊的擠壓，地震斷裂帶縱深發育水平很高，導致我國地震活動頻度高、強度大，是世界上遭受地震災害最嚴重的國家之一 (張國民等，2004)。大陸Ⅵ～Ⅸ度地震區占國土面積的80%以上，其中很大一部分為巖溶分布區。

我國可溶性巖石分布面積達3.65×106km2，占國土面積1/3以上，尤其以桂、黔和滇東部地區分布最廣，其次是湘西、鄂西、川東、魯、晉等地，全國各省區均有分布 (雷明堂，蔣小珍，1998)。改革開放以來，隨著經濟發展與土地資源的供應緊張，將很難避免在巖溶地基上建造建筑物。在巖溶區進行工程建設，由于巖溶發育往往使地面上石芽、溶溝叢生，參差不平整;地下溶洞又破壞了巖體的完整性，巖溶水動力條件的變化，會使其上部覆蓋土層產生沉陷，這些都不同程度影響工程結構的穩定性，降低建筑結構的抗震性能，抗震隱患嚴重 (陳洪江，2010)。在巖溶地質條件下，為達到建筑物抗震設防標準和優化建造成本的目的，合理的設計顯得尤為重要。目前我國并沒有針對巖溶區建筑結構的抗震技術規程，絕大多數結構設計都是依照一般性的抗震規范。而在地基處理方面，設計人員多依賴當地經驗，大部分都還沒有成熟的計算方法。隨著工程建設的發展以及信息技術、電子計算機技術的引進，工程界應給予巖溶區的抗震問題足夠的重視。

1 巖溶工程地質問題

1.1 巖溶地基與圍巖的穩定問題

在巖溶區修建各類建筑物都有一個特殊的地基穩定問題。這是因為，在建筑物基礎之下可能埋藏有巖溶洞穴、漏斗、溶溝、石芽等巖溶形態，它破壞了巖體的連續性、均一性和整體性。當地震來臨時，巖土體產生附加應力與荷載，導致巖土內原有力學穩定性的破壞，會造成建筑基礎喪失承載能力。

1.2 巖溶水對工程建設的危害

巖溶區一般地下水極為豐富，易造成基坑突涌、巖溶水庫的滲漏、巖溶外水壓力等，對工程的危害很大。在抗震方面，地震可引起地下水的水動力變化，水位跌蕩起伏，使潛蝕作用增強，甚至使地面產生開裂、地應力場發生變化，誘發巖溶塌陷。

1.3 巖溶區誘發地震

在人類對自然資源不斷地開發與利用下，巖溶區特殊的地質條件和環境因素極易誘發地震。主要類型有:巖溶區水庫誘發地震、巖溶區礦山誘發地震、巖溶區城市和爆破誘發地震。巖溶區誘發地震特別引人矚目，已成為當今主要的環境工程地質問題之一 (光耀華，1998)。

2 巖溶區建筑的基礎選型

歷次地震的震害調查表明，地基基礎的地震效應對建筑物遭受的地震破壞輕重有密切關系。一次強烈地震發生后，其震害程度不是均勻地隨著與震中的距離增大而衰減，而是在很大程度上受地質構造、地形、巖土性質、地下水等條件的控制。巖溶地質作為一種非穩定場地，是影響建筑抗震性能的重要因素。因此，不同的建筑結構對基礎選型有一定要求。

(1)淺基礎。一般情況下，對單柱荷載不是很大且灰巖面上覆蓋較深的巖溶場地，可采用淺基礎。由于箱型基礎和筏板基礎的基礎沉降量比較小，調整地基不均勻沉降的能力較強，抗震性能良好，是巖溶地區常用的基礎形式 (鄧海東，2009)。

(2)復合地基基礎。若基巖上覆蓋有一定厚度土層，但其承載力不滿足要求時，可采用復合地基基礎。目前，巖溶地區大多采用深層攪拌樁、剛性樁對土層進行加固處理。還有近幾年比較新的CFG樁復合地基處理方法 (鐘毅，李文勝，2011)。

(3)樁基礎。樁基抗變形能力強，承載力大，能適用于各種不利的地理情況，比天然地基具有更好的抗震能力，在巖溶區的高層建筑中得到廣泛應用。采用樁基在巖溶地基上建造高層建筑，需要解決一系列特殊問題，如持力層的穩定、溶槽溶洞處理、同一承臺下長樁與短樁的應力、應變協調等。目前巖溶地基主要使用的樁基形式有:沖 (鉆)孔灌注樁、預應力管樁、裙樁、沉管夯擴灌注樁、靜壓預制樁等 (顧太華，潘健，2005)。

另外，由于箱型基礎和筏板基礎的整體性好，也常采用箱樁結合或樁筏結合的基礎形式。這種混合的基礎形式共同作用有利于控制基礎差異沉降，提高樁基礎的抗震能力。

3 巖溶區建筑的震害特點及原因分析

由于巖溶區復雜的地質條件，強烈的地震動易誘發滑坡、地裂縫、塌陷等災害?？v觀我國多次強地震中遭受破壞的建筑可知，由于地質災害而導致上部結構的破壞，是巖溶區主要的震害特點。

3.1 地震巖溶塌陷對建筑的破壞

在碳酸鹽巖石分布區有許多巖溶洞穴隱伏在第四紀覆蓋層之下，地震會破壞原有的平衡條件，溶洞崩塌，上覆土層陷落，這種現象被稱為地震巖溶塌陷。巖溶地基基礎的塌陷會造成上部結構不同程度的開裂、傾斜，樓板的垮塌等。例如1976年唐山大地震時，分別在唐山市與東礦區、秦皇島石門寨地區出現直徑3～40 m的巖溶地面塌陷坑20多個、18個和9個，許多民房塌落到陷坑中造成不同程度的損壞，甚至倒塌。

地震波導致巖溶塌陷的原因主要有兩方面:首先，地震作為一種內動力地質作用，其強大的地震波會引起巖土體破裂位移，土層壓密下沉，使處于臨界狀態或穩定性不高的洞穴頂板承受附加力量而失去平衡產生巖溶塌陷。另外，地震作為一種振動荷載，對蓋層土體產生擾動，破壞土體結構，同時地震可引起地下水的水動力變化，造成土體液化和觸變，使其變得松散，抗剪強度降低，誘發巖溶塌陷 (賀可強等，2005)。

3.2 地裂縫對建筑的破壞

地震產生的地裂縫是構造應力和地震波作用于地殼表層的結果。地裂縫的垂向位移可造成地基一側相對下沉，使建筑物因差異沉降產生張拉破壞;若垂向位移較大，可直接對建筑物造成垂向剪切破裂。地裂縫的水平張開可導致建筑物張裂;水平剪切運動將會使建筑物被水平錯移。此外，地裂縫也是地表水和地下水向深處滲流的通道，引起土體濕陷、形成線狀陷穴、陷坑和洼池等，從而大大降低了地基的強度和穩定性，間接對建筑物構成危害 (紀萬斌，1998)。

巖溶區發生地震，地裂縫的產生與底部灰巖的巖溶化有密切關系，地下水溶蝕形成的巖溶管道的發育程度直接決定著上覆土層裂縫的發展，影響表層地裂土層的力學性質。水的作用是巖溶區地震地裂縫成災的重要因素:首先，含水量的多少直接決定土的脹縮性，其周期性變化會引起土體的膨脹與收縮的交替，加劇地裂縫的產生;其次，土體中含水量的變化削弱枯土顆粒之間的膠結程度，導致土體強度降低，誘發地裂縫 (張駿盧等，1996)。

3.3 較低矮建筑震害嚴重

巖溶區的地質構造，決定著地震的活動及性質。在巖溶區發生的一些小震級地震能造成相當嚴重的破壞。2010年5月16日，廣西河池市金城江區東江鎮發生ML2.8地震，震源深度5～10 km。地震造成東江鎮加道村才吉屯61戶村民104間房屋不同程度受損。鐘新基 (1985)指出，巖溶區高烈度地震的成因與巖溶介質有關。地震發生時，巖溶區飽含水的軟介質層對地震波有放大作用，使地表的振動位移大于入射波的位移，其卓越周期一般在0.2 s左右。這一周期正好與地面三層以下的框架結構、砌體結構、磚混結構等結構形式的低矮樓房周期 (0.1～0.3 s)相接近。由于兩者的振動周期相近，建筑物在地震波的作用下會發生共振，使震幅增大，從而使地面較低矮的建筑物遭受破壞。

3.4 巖溶區地震災害易相互誘發

巖溶區的震害可能影響水工及礦山建筑物的穩定安全，引發山崩、滑坡、崩塌及地裂縫等次生災害。有時，塌陷作用也可產生破壞性的地震，既塌陷地震。它們往往成群成帶發生，相互誘發、相互轉化，形成災害鏈，加劇建筑物的破壞程度(覃子建，1996)。

4 巖溶區建筑的抗震研究進展

縱觀我國結構抗震領域，大量的專家學者都對結構抗震研究做了許多努力，也取得了很大的成果。隨著我們對建筑結構地震響應特征研究的不斷深入，要求科研人員在建筑結構的抗震研究工作中應更具針對性。巖溶作為一種復雜工程地質，給結構的抗震技術提出了更高的要求。目前，國內還沒有針對巖溶區的結構抗震問題的研究，地基處理多憑當地經驗，抗震設計也是基于一般性的抗震規范。因此，進行巖溶區大型工程地震防御技術研究是一項有重要意義的研究課題。

巖溶作為一種特殊的地質條件下形成的現象，許多科技工作者從多個方面對其進行了研究，其中巖溶穩定性評價方法和巖溶地基基礎研究對巖溶區的結構抗震具有重要意義。

4.1 巖溶穩定性評價的研究

巖溶地基穩定性評價，直接關系到結構整體的抗震設計與地基基礎方案的選擇，是巖溶區工程建設中的重要內容。當前，我國巖溶穩定性評價仍然以宏觀把握為主，定性的評價較多。今后需要不斷地總結實踐經驗，提高巖溶穩定性評價的勘察工作程度和綜合研究水平。

巖溶穩定性評價方法主要分兩種:定性評價和定量評價。定性評價方法主要是根據巖土體的地質勘查資料，結合基底荷載情況，對影響溶洞穩定性的各種因素 (如地質構造、巖層產狀、巖性和層厚、洞體形態及埋藏條件、地下水等)進行分析比較，作出穩定性評價，適合一般工程建設;定量評價方法是根據一些公式對溶洞或土洞的穩定性進行分析，主要的方法有:普式壓力拱理論、有限元數值分析法、多元逐步回歸分析和模糊綜合分析法、根據溶洞頂板坍塌自行填塞土洞所需厚度進行計算、對頂板進行抗彎、抗剪計算、根據極限平衡條件，按頂板能力抵抗受荷載剪切的厚度計算等 (劉之葵，2004)。

4.2 巖溶地基基礎的研究

查閱我國巖溶地基基礎研究的相關文獻，較多報道的是一些學者和工程技術人員針對具體的工程實踐過程中所遇到的巖溶地基 (如溶洞地基、土洞地基、塌陷地基)的分析評價，尚無對巖溶地基基礎進行過系統的研究。比如:蔣繼昭(1998)運用溶洞塌塞式和巖溶化地基承載力計算方法對巖溶區的端承樁進行計算評價，同時評價了樁基嵌巖與沖刷問題;王建秀等 (2000)提出用“蓋層土體—薄頂板無充填溶洞力學系統”的穩定性來解釋巖溶區的塌陷穩定性;沈清林(2001)介紹了某高層建筑采用旋噴樁加固地基的成功經驗;陳忠平 (2001)通過工程實例，詳細介紹了有上覆土層的淺層巖溶路基塌陷防治的灌漿技術 (劉之葵，2004)。

5 提高巖溶區建筑抗震能力的措施

由于巖溶地基的不穩定性，在地震作用下容易產生地基失效而導致上部結構的破壞。因此，加強地基基礎的抗震研究對提高巖溶區建筑結構抗震能力尤為重要。通過改善上部結構的整體性與抗震性能，可避免建筑物的倒塌傷人，在巖溶地區建筑結構的抗震研究中也不容忽視。

5.1 建筑場地的選擇

建筑場地的選址原則是盡可能選擇對建筑物抗震有利的地段，避開不利的特別是危險地段。建筑抗震有利的地段，一般是地形起伏較小的開闊平坦堅硬場地，或土質為密實均勻的中硬場地，地下沒有巖溶洞穴等。建筑物抗震不利地段，一般是屬于軟弱場地土，易液化土，條狀突出的山嘴，高聳孤立的山丘，非巖質的陡坡，采空區，河岸和邊坡邊緣，或不均勻的場地土。建筑物危險地段，是指地震時可能發生崩塌、滑坡、泥石流、地震塌陷和地裂等地段以及地震基本烈度為Ⅷ度或Ⅷ度以上的發震斷裂帶上和可能發生地表錯位的地段。為了正確選擇建筑場地，必須事先進行勘察，若無法回避潛在的地震塌陷區，應采取適當地基處理 (范一知，1999)。

5.2 巖溶區的地基處理

若不可避免的在復雜巖溶地質上建造建筑物，需要對巖溶地基進行加固處理。根據不同的巖溶場地條件和建筑結構要求地基處理方法大致歸類如下 (馬琳琳，2004;金瑞玲等，2002;謝勤，2008):

(1)填墊法。該法可分為充填法、換填法、挖填法、墊褥法等。充填法適用于裸露型的巖溶土洞，其上部附加荷載不大的情況;已被充填的巖溶土洞，若充填物物理力學性質不好，須清除洞中充填物，再全部用塊石、片石、砂、混凝土等材料進行換填，此方法稱為換填法;挖填法是將淺埋的巖溶土洞挖開或爆破揭頂，以塊石、片石、砂等填入，然后覆蓋粘性土并夯實。該方法適用于在淺埋的巖溶土洞上建設輕型建筑物;對有巖溶洞、隙、溝、槽、石芽等巖溶凸出物，可能引起地基沉降不均勻，可將凸出物鑿去后做砂土墊褥處理。

(2)加固法。此法通常包括溶洞灌漿、頂柱法、強夯法、擠密法、漿砌法等。溶洞灌漿主要是針對眾多的小型設備基礎及輔助用房下的淺層多溶洞的軟弱土，適用范圍廣，造價較低。當洞頂板較薄、裂隙較多、洞跨較大，頂板強度不足以承受上部荷載時，為保持地下水通暢，條件許可時采用附加支撐減少洞跨，即頂柱法。強夯法在覆蓋型巖溶區，處理大面積土洞和塌陷時經常采用，是一種省工省料、快速經濟且能根治整個場地巖溶地基穩定性的有效方法。

(3)跨越法。當巖溶洞體埋藏較深，挖填困難不經濟或淺埋洞體頂板厚度難以確定時，可根據上部結構性質、荷載大小及跨度大小，分別采取板、梁、拱等方式跨越，將跨越結構置于巖溶地基基礎之上。

(4)樁基法。在溶洞、塌陷漏斗較深較大或溶洞多層發育外，可采用樁基礎。樁基礎具有比天然地基良好的抗震性能，震害遠遠小于天然地基。其原因為在地震水平推力的作用下對建筑物產生傾覆彎矩，但由于樁和承臺及連系梁的存在對建筑物產生一個抗傾覆彎矩，增強了建筑物的抗震性能。且樁端持力層承載力比較大，同時由于樁土之間的摩擦力的作用，基礎的沉陷變形小。

5.3 巖溶區建筑基礎抗震措施

(1)避免地基和結構在地震時發生共振 (賀雅敏，楊鋒，2006)。巖溶區飽含水的軟介質層對地震波具有放大作用，改變地震波的卓越周期。根據微震觀察資料，在高烈度的地震區要考慮地基土層的特點和上部建筑物的地震反應，合理選擇地基方案和上部結構形式，防止發生共振而加大震害。

(2)合理的地基基礎設計。同一建筑單元應設置在性質相同的地基上，采用同一類型的基礎，不宜部分采用天然地基部分采用樁基。同一建筑單元的基礎 (或承臺)宜埋置在同一標高上。地基有軟弱性粘土、可液化土、嚴重不均勻土層時，要加強基礎的整體性和剛性，樁基宜采用低承臺樁。

(3)為提高地震作用下巖溶地基基礎的抗震性，可對地基基礎不利地段的設計地震動參數進行放大，將其水平地震影響系數最大值乘以增大系數。根據巖土工程地質勘查情況，從多方位考慮影響地基基礎抗震因素 (王志剛，2011)。

(4)基礎的隔震與減震?；A隔震是在建筑物基礎與上部結構之間設置由隔震器、阻尼器等組成的隔震層，隔離建筑基礎與上部結構，減少輸入到上部結構的地震能量，降低其地震反應，從而達到預期的抗震設防要求。國內外的大量試驗數據和工程經驗表明:隔震一般可使結構的水平地震加速度反應降低60%左右，結構的震動和變形均可控制在較輕微的水平，從而使建筑物的安全得到更可靠的保證 (田文斌，2002)。

5.4 巖溶區建筑上部結構的抗震措施

修建在巖溶地基上的建筑物一定要重視上部結構的抗震問題。建筑物的平面、立面布置要規則、對稱、質量和剛度變化均勻，避免樓層錯層;對體型復雜的建筑物要設置伸縮縫和沉降縫。判明建筑物的易損部位，采取加強措施或提高抗變形能力。建筑物結構的構件，應力求避免脆性破壞，為改善其變形能力，加強構件的延性，對砌體結構要求采用鋼筋混凝土圈梁和構造柱等措施;對鋼筋混凝土構件 (梁、柱、墻)應通過對尺寸的選擇，縱向鋼筋和箍筋的合理配置，避免剪切破壞先于鋼筋的屈服，避免鋼筋錨固失效先于構件破壞;對鋼結構構件應防止屈服、失穩。若建筑物已設在小型的崩塌、滑坡、地面塌陷災害危險地段，除了加強建筑物的基礎和結構外，重點應選擇在技術和經濟上合理的治理方案，提高地基的穩定性;對規模較大的崩塌、滑坡和地面塌陷危險區，應采取避讓的方案。

6 結論與展望

作為一個地震多發的國家，巖溶區的不良的地質條件對建筑結構的抗震性能造成不利影響。隨著我國經濟條件的不斷改善與重大建筑物的不斷興起，加強巖溶區建筑結構抗震性能研究對于我國工程建設的長期發展有著重要意義。對于今后巖溶區建筑結構的抗震研究，筆者認為主要有以下幾個方面:

(1)巖溶地基—基礎—上部結構共同作用地震反應分析。對于巖溶地基上的建筑物，地基—基礎—上部結構共同作用的影響突出，不能忽視。目前，共同作用的抗震分析的研究成果較多，但沒有在實際設計中得到應用，基本都停留在理論研究階段。因此，將地基—基礎—上部結構共同作用的抗震分析工程應用化將是這一研究的發展方向，需要科研人員不斷的努力與開發 (賀雅敏，楊鋒，2006)。

(2)巖溶區地震破壞機理的研究。目前對基礎抗震的研究非常困難，其中很少能用接近實際的實驗方法來完成，巖溶區工程結構的基礎處于復雜的地質條件下，各種重大工程結構尚無充足的經歷震害的經驗，亦缺乏足夠的模型實驗驗證，其地震破壞機理的研究有待加緊進行。

(3)基礎隔振和減振方法的研究。隔震與效能減震技術與傳統抗震體系相比，具有巨大的優越性，在突發性的超過設防烈度地震中不破壞、不倒塌，既保護建筑結構本身，又保護建筑物內部的儀器設備及人員的安全，經濟適用。加強隔震減震技術作為應用技術的研究，對巖溶區建筑的抗震具有重要意義。

(4)巖溶區場地條件對地震動的影響研究。不同場地條件對基底入射地震動都有不同的影響。巖溶區的基底巖性特征和土層力學特征對巖溶地區的抗震設防工作起著決定性作用。因此，需加強巖溶區場地條件對地震動的影響的深入研究

(5)巖溶區強地震動的衰減規律的研究。巖溶區存在“小震級、高烈度”的特點，建立我國巖溶區強地震動的衰減規律直接影響建設場地地面運動的估計結果。目前為止，我國缺乏對巖溶區強地震動的衰減規律的深入研究。

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